手機(jī)殼、家電外殼…為何塑料總在悄悄“衰老”變黃？ | No.496

用久了的手機(jī)殼會(huì)悄悄泛黃，

老家電的外殼也會(huì)染上抹不去的“舊色”，

為什么塑料物品都容易有這“歲月痕跡”呢？

問(wèn)答導(dǎo)航
Q1 為什么頭發(fā)捋一遍會(huì)變成彎曲如彈簧形狀？
Q2 為什么用手指堵住手機(jī)喇叭孔聲音會(huì)變小？
Q3 為何描述物理系統(tǒng)大多使用微分方程而不采用積分方程？
Q4 為什么塑料用久了會(huì)發(fā)黃？
Q5 空調(diào)是如何進(jìn)行制冷制熱的？
Q6 為什么瓶子里黑色的咖啡在瓶蓋上卻呈現(xiàn)棕色？
Q7 茶飲料為什么容易起泡沫？
Q8 cpu，gpu是怎么工作讓我們看到電腦畫(huà)面的？

by 吃魚(yú)的貓

答：

頭發(fā)本質(zhì)上是由角蛋白構(gòu)成的細(xì)長(zhǎng)纖維，既有一定彈性，也并非完全彈性體。當(dāng)你把頭發(fā)一端固定，用指甲夾住并快速捋過(guò)時(shí)，頭發(fā)在指甲與手指之間受到強(qiáng)烈且不均勻的摩擦力和拉伸力：靠近指甲一側(cè)被更強(qiáng)地拉伸和壓縮，而另一側(cè)受力較小。這樣就在頭發(fā)橫截面上形成了應(yīng)變不對(duì)稱。

如果這種應(yīng)變超過(guò)了頭發(fā)的純彈性范圍，內(nèi)部角蛋白分子結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生部分不可逆的重排，釋放外力后，各部分“恢復(fù)原狀”的程度不同，結(jié)果就是頭發(fā)的一側(cè)比另一側(cè)“更長(zhǎng)”，于是整根頭發(fā)只能通過(guò)彎曲來(lái)適應(yīng)這種長(zhǎng)度差，最終呈現(xiàn)出類似彈簧的卷曲形態(tài)。

這和用剪刀背刮彩帶、彩紙會(huì)自動(dòng)卷起來(lái)的原理是一樣的：單側(cè)受到更強(qiáng)摩擦與拉伸，產(chǎn)生永久性長(zhǎng)度差，從而導(dǎo)致彎曲。

by 靈境

Q.E.D.
Q2 用手指堵住手機(jī)喇叭孔，音樂(lè)聲音會(huì)變小，聲音不是能在固液氣三態(tài)中都能傳播嘛，用手指堵住手機(jī)喇叭孔，聲音不能從手指沿著身體傳到耳朵嘛，為什么？

by 匿名

答：

兩個(gè)原因：

1. 手指內(nèi)部聲音衰減更快。理論上任何物質(zhì)都能傳播聲音，但是不同物質(zhì)傳播效率不同。用光類比就是一些物質(zhì)更“清澈”而另一些更“渾濁”。對(duì)于聲音來(lái)說(shuō)，這是由一個(gè)叫“粘滯系數(shù)”的物理量決定的。一般而言越堅(jiān)硬或者越有彈性的物體粘滯系數(shù)越小，傳播聲音的能力越強(qiáng)。例如鋼鐵，玻璃，甚至水，空氣就是適合傳播聲音的物質(zhì)。反之如棉花，海綿，絨毛就不適合傳播。

2. 不同界面處存在反射。還是拿光類比，再干凈的玻璃表面也會(huì)存在反射現(xiàn)象。聲音也是如此。由于手指內(nèi)和空氣聲音傳播速度不同，聲波就一定會(huì)發(fā)生反射。大部分聲音會(huì)被“反射”回喇叭孔內(nèi)部。多次反射后被手指、手機(jī)吸收的聲音就會(huì)更多。

總體說(shuō)來(lái)，以上兩個(gè)原因中占據(jù)主要因素的是反射現(xiàn)象。這也是為什么關(guān)門可以隔絕大部分聲音。

by 靈境

Q.E.D.
Q3 為何描述物理系統(tǒng)大多使用微分方程而不采用積分方程？

by 忻下和

答：

用微分形式和積分形式表達(dá)的物理規(guī)律是等價(jià)的，但由于大部分物理問(wèn)題無(wú)法得到解析且簡(jiǎn)潔的積分表達(dá)式，所以主要采用微分的形式書(shū)寫定理。牛頓第二定律就是典范：它指出物體在某一瞬間的加速度（即速度的變化率，位置的二階導(dǎo)數(shù)）直接等于該時(shí)刻所受合力除以質(zhì)量。這個(gè)關(guān)系捕捉了運(yùn)動(dòng)的瞬時(shí)因果性——知道了此刻的力和狀態(tài)，就能確定下一刻如何變化。用微分方程表達(dá)為 ，配合初始位置和速度，通過(guò)積分就能算出整個(gè)運(yùn)動(dòng)軌跡。這比直接尋找位置與時(shí)間之間的整體積分關(guān)系更直接自然。

電磁理論也是如此。麥克斯韋方程組的微分形式，描述了空間某一點(diǎn)電場(chǎng)和磁場(chǎng)的瞬時(shí)變化與源（電荷、電流）的局部關(guān)系。比如關(guān)于電場(chǎng)的高斯定律： 和 ，前者可以求解偏微分方程得到電場(chǎng)，有系統(tǒng)的解析解法或數(shù)值解法，后者需要計(jì)算一個(gè)積分計(jì)算電場(chǎng)，求解更加困難。

相反，熱力學(xué)中的克勞修斯不等式，其積分形式 在物理上遠(yuǎn)比微分形式 更基本。原因在于，它直接比較了兩種路徑：左邊是熵這一狀態(tài)函數(shù)的變化（與過(guò)程無(wú)關(guān)），右邊是實(shí)際（可能不可逆）過(guò)程路徑的熱溫商積分。這種全局比較直觀揭示了不可逆性的方向與限度，即自然過(guò)程總是使系統(tǒng)的熵增超過(guò)其從外界吸收的熱溫商。微分形式雖簡(jiǎn)潔，卻模糊了這一關(guān)鍵對(duì)比，且難以直接處理初末態(tài)平衡、中間非平衡的真實(shí)過(guò)程。因此，積分形式承載了該定律最核心的物理內(nèi)核。

微分方程的優(yōu)勢(shì)在于它直指變化的根源，即“變化率如何由當(dāng)前狀態(tài)決定”。這種形式天然適合描述因果演化過(guò)程，也便于數(shù)值計(jì)算：我們可以從初始狀態(tài)出發(fā)，根據(jù)微分關(guān)系一步步推進(jìn)，模擬系統(tǒng)演化，相應(yīng)的求解方法自然也就有單步法，或者利用差分代替微分。而積分方程常將未知函數(shù)包含在積分號(hào)下，意味著當(dāng)前狀態(tài)依賴于全部歷史或整個(gè)空間，雖然能描述某些非局部效應(yīng)，但往往掩蓋了瞬時(shí)作用的直觀性，求解也更復(fù)雜。因此，物理學(xué)家更偏愛(ài)從微分方程出發(fā)，它簡(jiǎn)潔地揭示了自然規(guī)律的瞬時(shí)動(dòng)力學(xué)本質(zhì)。

by clouds

Q.E.D.

Q4 為什么塑料用久了會(huì)發(fā)黃？

by S3

答：

塑料顏色變黃現(xiàn)象是塑料老化的體現(xiàn)，其本質(zhì)是一種化學(xué)反應(yīng)：塑料材料的分子結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，性能變差。塑料老化可由多種原因?qū)е拢热缱贤夤狻帷⒘Α㈦姷鹊龋蛞陨细鞣N原因產(chǎn)生的自由基，會(huì)發(fā)生反應(yīng)（鏈的引發(fā)、傳遞、終止等），導(dǎo)致塑料的氧化降解[1]。

具體黃色的成因可能是：1）飽和聚酯本身的反應(yīng)產(chǎn)物對(duì)苯二甲酸在自由基反應(yīng)后得到醌類結(jié)構(gòu)；2）塑料中添加的酚類抗氧化劑被氧化為醌類結(jié)構(gòu)。醌類結(jié)構(gòu)指不飽和環(huán)二酮的結(jié)構(gòu)，最簡(jiǎn)單的醌是苯醌。醌類具有高度共軛結(jié)構(gòu)，對(duì)位醌多數(shù)為黃色，鄰位多數(shù)為紅色或橙色[2,3]。

對(duì)苯醌和鄰苯醌結(jié)構(gòu)示意圖[2]

參考資料：

1. 李季,徐寧.黃色指數(shù)在ABS樹(shù)脂老化性能評(píng)價(jià)方面的應(yīng)用[J].橡塑資源利用,2014,(06):22-25.

3. 宋曉凱．天然藥物化學(xué) 第三版：化學(xué)工業(yè)出版社，2016

by ThymolBlue

Q.E.D.
Q5 空調(diào)是如何進(jìn)行制冷制熱的?

by 匿名

答：

空調(diào)制冷與制熱的物理模型，就是一個(gè)依靠電機(jī)做功來(lái)實(shí)現(xiàn)熱量轉(zhuǎn)移的“熱機(jī)”，其本質(zhì)是同一套基于壓縮式循環(huán)的熱泵系統(tǒng)通過(guò)閥門切換運(yùn)行方向而實(shí)現(xiàn)的兩種效果，其工質(zhì)為制冷劑（如氟利昂）。

在制冷模式下，低溫低壓的液態(tài)制冷劑在室內(nèi)的蒸發(fā)器中吸收室內(nèi)空氣的熱量，迅速蒸發(fā)為低溫低壓的氣態(tài)，此過(guò)程使室內(nèi)溫度下降。隨后，該氣態(tài)制冷劑被壓縮機(jī)做功壓縮，成為高溫高壓的氣體，被泵送至室外的冷凝器。在冷凝器中，高溫高壓的制冷劑氣體向室外環(huán)境空氣釋放熱量，冷凝為中溫高壓的液體。最后，該液體經(jīng)過(guò)節(jié)流裝置（毛細(xì)管或膨脹閥）降壓，重新變?yōu)榈蜏氐蛪旱囊簯B(tài)，回到蒸發(fā)器，完成一個(gè)循環(huán)。簡(jiǎn)言之，制冷是將室內(nèi)熱量“泵送”至室外。

在制熱模式下，系統(tǒng)通過(guò)四通閥反轉(zhuǎn)制冷劑的流向。此時(shí)，室外機(jī)內(nèi)的蒸發(fā)器從低溫的室外空氣中吸取熱量（即使寒冷空氣中仍含有可用熱能），使制冷劑蒸發(fā)。隨后，壓縮機(jī)同樣對(duì)其做功壓縮，產(chǎn)生的高溫高壓氣體被送入室內(nèi)的冷凝器，向室內(nèi)空氣釋放熱量并冷凝，從而達(dá)到提升室溫的目的。因此，制熱實(shí)質(zhì)上是將室外環(huán)境中的熱量“搬運(yùn)”至室內(nèi)。（下圖依次為制冷，制熱模式）

by clouds

Q.E.D.
Q6 為什么看瓶子里的咖啡很黑，但是瓶蓋上的咖啡呈現(xiàn)棕色？

by 工程師

答：

這種視覺(jué)差異主要是由于光線在液體中傳播的光程不同，導(dǎo)致光被吸收的程度不同所致。這一現(xiàn)象在主要吸收機(jī)制上，可以用朗伯-比爾定律來(lái)解釋。

咖啡看起來(lái)是黑色的，但實(shí)際上它是一種深棕色或紅褐色的溶液，這種顏色主要源于咖啡豆烘焙時(shí)美拉德反應(yīng)生成的類黑精。

當(dāng)你盯著一大瓶咖啡看時(shí)，光線需要穿過(guò)數(shù)厘米甚至十多厘米厚的液體。根據(jù)朗伯-比爾定律，物質(zhì)對(duì)光線的吸收強(qiáng)度與液體的濃度和光線經(jīng)過(guò)的距離（光程）成正比。由于大瓶咖啡的光程很長(zhǎng)，絕大部分可見(jiàn)光在“穿越”液體的過(guò)程中都被咖啡分子吸收殆盡了。當(dāng)幾乎沒(méi)有光線能反射回你的眼睛時(shí)，大腦就會(huì)將其識(shí)別為黑色。

而當(dāng)你觀察瓶蓋內(nèi)少量的咖啡液時(shí)，液層的厚度可能只有幾毫米。此時(shí)光程極短，咖啡分子還沒(méi)來(lái)得及吸收掉所有的光，尤其是波長(zhǎng)較長(zhǎng)的紅光和黃光，它們具有更強(qiáng)的穿透力，能夠透過(guò)薄薄的液層并經(jīng)由瓶蓋底部反射回來(lái)進(jìn)入你的眼睛。于是，你就看到了咖啡原本的“底色”——棕褐色。

這就像我們?cè)诤＿吙春Ｋ跗鹨慌跛峭该鞯模礈\灘是綠色的，而望向深海則是墨藍(lán)色的。這種由“量變”引起“質(zhì)變”的光學(xué)幻覺(jué)，正是大自然最基礎(chǔ)的減法美學(xué)。

參考資料：

1. 趙凱華. 光學(xué)[M]. 北京: 高等教育出版社, 2004.

by 檸七

Q.E.D.
Q7 把茶飲料放到背包里，走了一段路程，拿出來(lái)時(shí)發(fā)現(xiàn)起了一層泡沫，普通礦泉水不會(huì)有這樣的現(xiàn)象

by 工程師

答：

順手撈起了旁邊的茶飲看了眼成分表“水、茶、VC、碳酸氫鈉……”，再順手搜一下礦泉水的成分表“偏硅酸、鉀鈣鈉鎂離子……”，這還是挺不一樣的。不知道大家有沒(méi)有用礦泉水瓶和水玩過(guò)“甩龍卷風(fēng)”的游戲，玩過(guò)的伙伴們可能會(huì)觀察到，在“龍卷風(fēng)”快結(jié)束的時(shí)候水里有很多氣泡上浮，它們飄到水面就消失了。這個(gè)現(xiàn)象可以幫我們很好地解答這個(gè)問(wèn)題。

左圖：礦泉水配料表（圖源網(wǎng)絡(luò)） 右圖：某茶飲配料

把茶飲放到背包里，走路時(shí)瓶身的擺動(dòng)會(huì)讓茶飲來(lái)回撞擊瓶壁，瓶?jī)?nèi)的空氣會(huì)以無(wú)數(shù)微小氣泡的形式進(jìn)入茶飲內(nèi)部深處。正如前文所說(shuō)，水也會(huì)這樣。茶飲之所以最后會(huì)有泡沫層，是因?yàn)椴栾嬛械牟瓒喾拥染哂斜砻婊钚缘?strong>兩親性分子會(huì)吸附在這些小氣泡表面（氣-液界面）形成一層彈性膜，小氣泡就這樣被穩(wěn)住了，它們上浮的速度也被減緩。當(dāng)我們停下來(lái)從背包中拿出茶飲時(shí)，搖晃停止，氣泡上浮聚集，最終形成了我們所看到的比礦泉水持久的“泡沫層”。

總的來(lái)說(shuō)，就是這些表面活性劑在維持泡沫層。水之所以沒(méi)有，也是因?yàn)槠渲饕煞质瞧杷岷鸵恍┙饘訇?yáng)離子這些無(wú)機(jī)電解質(zhì)，并不具備類似表面活性劑的功能。

by 4925

Q.E.D.
Q8 cpu，gpu是怎么工作的才能讓我們看到電腦畫(huà)面？

by 匿名

答：

CPU充當(dāng)著計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的“管理中樞”角色，特點(diǎn)是能夠以均衡、高效的方式處理各種類型的復(fù)雜任務(wù)，包括系統(tǒng)管理、邏輯判斷、數(shù)據(jù)加載與存儲(chǔ)等。而GPU擁有遠(yuǎn)超CPU的并行處理能力，通常有著數(shù)千個(gè)流處理器，針對(duì)矩陣與向量運(yùn)算這類高度并行、重復(fù)性強(qiáng)的計(jì)算任務(wù)有著更快的處理能力。

CPU將繪圖命令通過(guò)總線傳遞到GPU，GPU經(jīng)過(guò)幾何處理、光柵化、像素渲染、ROP輸出這四個(gè)步驟完成渲染工作。GPU計(jì)算后的數(shù)字信號(hào)結(jié)果輸出到顯卡顯存，然后經(jīng)RAM數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)為模擬信號(hào)。模擬信號(hào)輸出到顯示器上，我們才能看到電腦的畫(huà)面。隨著近些年設(shè)備的發(fā)展，現(xiàn)在GPU計(jì)算后的數(shù)字信號(hào)結(jié)果從顯卡顯存經(jīng)由顯卡的視頻輸出接口（比如HDMI）直接傳遞給現(xiàn)代的顯示器。

參考資料：

1. 馬恕.硬件原理篇之二——畫(huà)面是怎樣顯示出來(lái)的?[J].電腦自做,2003,(08):127-129.

2. 魯孝平.顯卡的工作原理[J].電子世界,2017,(23):63-64.DOI:10.19353/j.cnki.dzsj.2017.23.027.

by 匿名

Q.E.D.
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靈境、4925、clouds、檸七、ThymolBlue

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編輯：涼漸